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風電vs.光伏——能源與科技的正面交鋒

1. 能源供給側改革初顯成效近4年來,化石能源占全球能源消費比例約為88%。但隨著我國能源消費結構持續優化,碳消費比重下降,天然氣、核能和可再生能源比重上升。以風電和光伏為

 1. 能源供給側改革初顯成效

近4年來,化石能源占全球能源消費比例約為88%。但隨著我國能源消費結構持續優化,碳消費比重下降,天然氣、核能和可再生能源比重上升。以風電和光伏為代表的可再生能源發電成本快速走低,加之全球各國在能源轉型方面已形成共識,在市場競爭力以及環境成本的雙重優勢加持下,可再生能源正在能源體系變革中迅速成長為一股不可忽視的力量。每一次能源革命都和工業革命一樣,代表人類生產方式的巨大進步。

從我國來看,火電雖仍占據主導地位,但無論是發電量占比還是裝機容量占比,下降趨勢均較為明顯:發電量占比從2010年的81%下降至2018年的70%,裝機容量占比從2010年的73%下降至2018年的61%。與此同時,能源領域的新技術、新材料以及人工智能、大數據等日新月異發展:以風電和光伏為代表的新能源裝機規模不斷擴大,截至2018年底,我國風電裝機1.84億千瓦,占全部電力裝機的9.69%,光伏發電裝機1.75億千瓦,占全部電力裝機的9.22%。2018年,風電發電量3,659.60億千瓦時,占全部發電量的5.2%,光伏發電量1,775.47億千瓦時,占全部發電量的2.5%。這是能源供給結構改革的必然結果,同時也代表著能源結構未來的發展方向。

2019年12月16日,2020年全國能源工作會議在北京召開。會議總結了2019年工作成績,部署了2020年重點任務。來看講話中一組重要數據:2019年,能源系統堅決淘汰落后過剩產能,淘汰關停2,000萬千瓦煤電機組,“十三五”去產能任務超額完成;有序發展優質先進產能,積極推進風電、光伏發電無補貼平價上網。截至目前,水、風、光、核等非化石能源裝機容量已達7.99億千瓦。

同時,在2020年工作重點綜述中提到:要優布局、盯重點,切實抓好清潔能源發展和消納;積極推進陸上風電和光伏發電平價上網,2021年實現陸上風電全面平價。

總結電源體系過往發展,風電與光伏兩種電源已占國內裝機容量約20%,而從每年新增電源裝機來看,風電與光伏已超過50%,而從目前的發展體量和度電成本來看,風電或將領先于光伏與生物質,在可再生能源中首先做到平價。而傳統化石能源面臨的則是迅速淘汰落后產能,并做好化石能源的清潔利用。但總體來說,我國能源供給革命的最終方向并不是化石能源的超低排放,而是實現對環境最大程度友好的低碳的能源供應體系。風電和光伏發電將成為全球能源清潔低碳發展和能源轉型的主要推動力。

彭博新能源財經(BNEF)預計,未來新能源發電量占比將持續提升,傳統化石能源發電量占比將快速下降。至2050年,可再生能源發電量將占全球發電量的64%,其中風電和光伏將占48%。BNEF進一步預計至2050年,我國可再生能源發電量占比將為62%,歐洲為87%、美國為55%、印度為75%。

2. 風電與光伏——條條大路通羅馬

文章第一部分是對國內能源供給發展形勢的簡單介紹,同為非可再生能源,補貼均來源于可再生能源發展基金,看到這里大家可能會想,國內風電和光伏未來的發展分別會是什么態勢,政府/電力企業/開發商面對兩者又該如何取舍?

我們先從國內可再生能源的發展路徑來探個究竟:

先看風電產業,2003年,我國開始第一期陸上風電特許權招標,到2008年總共進行了5期,自2009年開始轉向固定上網電價機制;2010年,我國首輪海上風電特許權招標開始啟動,2014年發布海上風電上網電價。

風電平穩發展十幾年,產業相對未有大的波瀾,年新增裝機量始終在20GW- 30GW之間。然而受到標桿上網電價下調的影響,行業于2015年出現了搶裝,當年新增裝機創下了31.4GW的新高,而此輪搶裝在一定程度上“透支”了后幾年的新增裝機量,2016-2018年,產業處于裝機量爬坡期。2019年5月,幾經討論和征求意見的兩份重磅文件(《關于完善風電上網電價政策的通知》(發改價格[2019]882號)及《關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項的通知》國能發新能[2019]49號)終于下發,行業進入第二輪搶裝周期。從2021年起,陸上風電將全面率先進入平價。

從海外市場來看,我國通過“乘風計劃”、國家科技攻關計劃、“863”計劃以及國債項目和風電特許權項目等,支持風電制造業的技術引進、吸收和再創新,形成具有競爭力的風電裝備全產業鏈,這有利于海外采購加碼中國制造。2019年6月我國風力發電機組出口金額為58792萬元,同比增長46.3%;1-6月出口金額為317237萬元,累計增長187%。

再看光伏產業:2013年,光伏產業促進政策的出臺直接推動了國內光伏市場的發展,當年我國光伏新增裝機12.92GW,同比增長269%,超過了截至2012年底的國內累計裝機容量;2016年光伏上網標桿電價下調,引發“630”搶裝,當年光伏新增裝機31.7GW,同比增長130%;2017年,集中式光伏上網電價再次下調,但分布式電價不變,分布式裝機大幅增長推動2017年我國光伏新增裝機53.4GW,同比增長68%。

作為后起之秀,光伏的崛起本無可厚非,但我們之前提到,光伏與風電補貼均出自全國可再生能源發展基金。光伏裝機規模的不斷擴張導致可再生能源發展基金補貼缺口不斷加大,至此,光伏的發展事實上倒逼了風電進行產業升級。

然而,2017年以來為了增強成本優勢以及打破國外壟斷的局面,光伏行業制造端新增投資大幅增加,2018-2019年處于產能釋放周期,供需逆轉導致行業進入一段下行周期。目前光伏組件價格調整較多,行業也處于在新一輪大進步的前夜。

2018年6月1日,發改委、財政部和能源局發布《2018年光伏發電有關事項的通知》(俗稱“531新政”),則加速了行業下行周期。此政策對光伏行業產生極大影響,體現在嚴控裝機規模及補貼幅度下滑兩個方面。一方面,不安排普通光伏電站建設規模、控制分布式光伏規模在10GW左右;另一方面,下調光伏電站標桿上網電價及下調“自發自用、余電上網”的分布式發電項目度電補貼標準0.05元/kWh。

根據531新政要求,最新三類資源區光伏標桿上網電價分別為0.5、0.6和0.7元/KWh(含稅)。從電價來看,目前標桿電價已低于用戶側用電價格區間(0.6-0.9元/KWh),用戶側平價上網已在部分地區實現。同時正接近發電側燃煤脫硫電價區間(0.2-0.4元/KWh),處于平價上網前夜。

531后,國內光伏市場進入冰凍期。不少光伏企業轉戰國際市場。且隨著國內光伏項目陸續啟動,海外光伏市場需求保持穩定增長。2019年1-11月我國光伏組件出口共計61.85GW,同比增長49%。未來全球市場的團隊建設、產能布局、渠道建設和資源配比能力等將很大程度決定一家光伏企業在行業中的地位與競爭力。

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圖1. 各類電源年度新增容量,2015-2018

3. 風電與光伏——一體化代表未來發展趨勢

盡管發展歷程有諸多相似之處,本質上來說風電和光伏卻是兩個不甚相同的產業。

由于兩者均利用天然資源(風能與光能),所以兩者最本質的差別就在于資源稟賦本身。從下圖典型風電場和光伏電站的出力特性就可明顯看出,因早晨、黃昏的光照不好,發電量偏低,而晚上無光無法發電,所以光伏的出力曲線大多集中于9:00-15:00,所以這也是為什么光伏必須搭配火電或儲能,才能作為基礎能源。而風電的出力則平滑許多,如果風況好,可以更加平滑,且風電場晝夜均可發電。在風況好的海上,利用小時數可以到4000小時,相當于一天中半天可達到滿發狀態(全年滿發小時數為24*365=8760小時)。

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圖2. 某風電場夏季型日出力符合特性曲線

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圖3. 佛山某光伏電站典型日發電功率曲線

此外,兩者最顯見的差別是規模不同:陸上風力發電機組單機功率已達到5MW級,海上則已進入10MW級,而單體風場容量過去是50MW或100MW,現在以平價大基地和海上大基地的趨勢來看,風場單體容量動輒300MW甚至達到GW級,以300MW陸上風場為例,其投資額約人民幣20-25億,而300MW的海上風場投資額則達人民幣45-60億;而對于光伏電站來說,一個戶用屋頂也就3-5kW,單體項目基本在10MW,20MW級,因其占地面積非常大,單體項目容量達100MW則已然是非常大的項目了。

此外,風電項目因涉及環節眾多,土地,環評,電網接入,地質,壓礦等等前期手續繁多,即使幾易政策,目前仍是核準制,其前期工作難度高、耗時長,加之其投資規模動輒數億,所以風電自出生之日起便自帶“高貴”光環,風電下游投資者90%為大型發電集團。

光伏項目的核準已改為備案制,其項目核準難度及投資規模大大低于風電,所以其參與者則非常多元化,市場充滿活力,這也是光伏企業過去幾年能夠迅速崛起的重要原因之一。未來光伏的市場仍將主要在分布式(工商業分布式及戶用),這是光伏作為輔助性能源所決定的。

最后再從技術角度來看,光伏發電是直接將太陽能轉換成電能,而風電則是將風能轉換成機械能,由機械能再轉換成電能。究其本質,風電與水電、核電并無不同,均是經由渦輪(turbine)帶動發電。

風電因為很大程度上是機械設備,轉換效率有其極限。貝茨定律告訴我們,理想情況下風能所能轉換成動能的極限比值為16/27,約為59% ,不斷的技術進步也只能使我們往這個極限值靠近。除了提升風能轉換效率,行業也在努力下探可開發的風電資源,用更先進的技術降低度電成本,并不斷開發出適合超低風速區域的風機,往深海和遠海開疆拓土。

光伏與其他電源種類具有完全不同的發展邏輯與內生動力:究其根本,光伏是半導體技術和化學應用。不斷開發出新的技術路線,依靠技術提升光電轉換率,輔以大規模應用,用新產能的規模效應實現降本。雖說目前的路線下,光伏單晶硅的轉化效率僅在22%左右,但長期來看,其轉換效率將不斷提升,未來提升到25%也不無可能。

光伏的發展前景也可引人無限遐思,但目前受到技術限制。若其轉化效率能增長10%,這對于人類世界的發展將是顛覆性的。當然,在目前的條件下,有些國家也玩出了新花樣。2014年11月,荷蘭通了一條太陽能自行車道,耗資2700萬人民幣,長度僅70米。2016年,法國生態、可持續發展和能源部部長羅雅爾1月20日在與全法交通管理機構負責人會面時表示,未來5年,法國將建造總長1000公里的“太陽能公路”。這算是太陽能板的新鋪法吧,由于公路大部分的時間都是暴露在陽光下,把太陽能電池嵌在公路上,上面再覆蓋以高強度玻璃。BIPV亦是光伏未來大規模應用的場景之—— “我家的墻壁/玻璃會發電”。

然而,光伏不能連續出力的特性,使其在儲能沒有大規模應用之前,不能作為基礎能源存在,但風電的發展路徑則是通過不斷提升利用小時數,逐步替代火電,成為基礎能源,相信這也是海外石油巨頭,接二連三逐浪海上風電的原因。相較而言,風電更具有“能源”屬性,而光伏的發展更多是“科技”帶來的可能性,兩者應用場景不同,誰也無法“替代”誰。目前而言,從圖2和圖3可以看出,風電和光伏若兩者疊加,可獲得更為平滑并符合要求用戶負荷需求的出力曲線,再搭配一定容量的儲能系統,則可以完全做到按照用戶負荷需求釋放,風光儲一體是對電網更友好的方式。

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